세라믹 글로우 플러그 (Ceramic Glow Plug)
1. 머리말
디젤엔진은 가솔린엔진에 비하여 연비가 좋아 가격 면에서는 유리 하지만, 일반적으로 엔진시동(engine start)이 가솔린엔진 보다 어렵다는 단점을 갖고 있다. 낮은 온도에서는 압축공기의 온도가 쉽사리 상승하지 않기 때문에, 점화를 돕기 위해 글로우 플러그를 사용하여 약 800℃까지 예열을 필요로 한다. 금속 글로우 플러그는 발열코일을 금속튜브에 넣어 그 사이에 절연분말을 충진한 구조를 가지고 있어 열전달이 좋지 않고, 표면온도의 상승까지는 4∼20초가 걸린다. 이러한 단점을 해결하기 위해 급속온도상승에 의한 엔진 시동시간 단축을 겨냥한 질화규소제 세라믹 글로우 플러그(Ceraglow)가 1981년에 등장하였다.
2. 요구성능과 개발경위
세라믹 글로우 플러그에 요구되는 성능은 급속 승온 성능(시동시간의 단축)과 고온 내구성능이다. 세라믹 글로우 플러그는 금속제 글로우 플러그와 같은 구성이지만, 세라믹 글로우 플러그의 발열체와 내열튜브에 해당하는 질화규소가 등방향가압성형에 의에 의해 하나의 형태(one body)로 성형되어, 발열체의 열이 직접 질화규소를 가열하기 때문에, 열손실이 적고 가열이 빠른 형태이다. 또 내열온도가 높고, 고온에서 연속사용이 가능하다는 장점을 갖고 있다. 세라믹 글로우 플러그의 개발은 ① 승온공정을 제어하기 위해 회로를 필요로하는 고가의 시스템 (제1세대), ② 소비전력이 큰 온도제어용 저항체를 갖는 형태 (제2세대), ③ 저항체를 제거한 간단한 구조(제3세대)의 순서로 개발이 진행되어, 제3세대는 1995년부터 시판차량에 탑재되었다.
3. 성공의 요인
세라믹 글로우 플러그는 급속승온 성능(금속제 글로우 플러그는 5초후부터 발열 하는 것에 비하여 세라믹 글로우 플러그는 3초후부터 발열됨으로서, 약 40%의 시간이 단축된다)으로, 고온내구성(금속제 글로우 플러그에 비하여 200℃∼300℃더 높은 온도로 사용할 수 있고, 고온에서 되풀이되는 가열에도 손상이 적다.) 및 내산화성에 뛰어난 특성을 가지고 있다. 이러한 세라믹 글로우 플러그 개발의 성공요인은 ① 질화규소 세라믹스의 고온성능 향상, ② 열 및 응력 해석기술의 진보, ③ 자동차메이커의 기대와 적극적인 협력을 들 수 있다.
4. 금후의 과제
많은 세라믹 자동차용 부품이 세라믹스의 경량, 내마모성 및 내열성 등의 이점을 채용하여 실용화되었다. 그 중에서 글로우 플러그는 시장에서 폭넓은 사용으로 가장 성공한 예라고 할 수 있다. 세라믹 글로우 플러그는 지금까지 3000만개 이상이 아무 문제없이 사용되고 있고, 이미 자동차 부품으로는 없어서는 안될 부품으로 되어있다. 생산수량은 해마다 증가하고 있지만, 현재의 주류는 아직 금속제 세라믹 글로우 플러그이다. 이것은 세라믹 글로우 플러그가 금속제 글로우 플러그에 비하여 고성능이지만, 가격이 아직 높기 때문이다. 질화규소의 원료가격이 높고 제조공정에서도 특수한 소성로와 가공법을 필요로 하는 것이 원인이다. 세라믹 글로우 플러그의 가격이 금속제와 동일하게 되는 데는 시간이 걸리지만, 현시점에서는 향후 제품설계기술 및 제조공정의 개발 등 가격 저감에 더욱 힘써야할 것으로 생각된다.
참고문헌
1. T. Shimamori,
"Ceramics Turbocharger and Ceramics Glow Plug," Ceramics 35 [1] 44-45
(2000).
2000년 6월 19일 김영욱